Zamień jednostki: nm, mm i cm na m, i sprawdź, czy kąty są mierzone od normalnej.
Sprawdź znaki i wiarygodność: obraz pozorny ma dᵢ < 0, zbliżające się źródło brzmi wyżej, rura zamknięta ma tylko harmoniczne nieparzyste.
2Zadania do ćwiczenia
1.KinematykaŚredni
Samochód jadący z prędkością 120 km/h hamuje ze stałym opóźnieniem 8 m/s² aż do zatrzymania. Wyznacz drogę hamowania s.
v₀ = 120 km/ha = −8 m/s²v = 0
s = m
2.KinematykaTrudny
Piłkę rzucono pionowo w górę z prędkością 14 m/s z krawędzi dachu na wysokości 40 m nad ziemią. Pomiń opór powietrza i przyjmij g = 9,81 m/s². Po jakim czasie od rzutu piłka uderzy w ziemię? Wyznacz t.
v₀ = 14 m/sh₀ = 40 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Zasady dynamiki NewtonaŚredni
Klocek o masie 10 kg zsuwa się po równi nachylonej pod kątem 20° do poziomu. Współczynnik tarcia kinetycznego wynosi 0,2. Przyjmij g = 9,81 m/s². Wyznacz przyspieszenie a klocka wzdłuż równi.
m = 10 kgθ = 20°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Zasady dynamiki NewtonaTrudny
Klocek o masie 4,5 kg na poziomym stole jest połączony lekką nicią przerzuconą przez nieważki bloczek bez tarcia z wiszącym ciężarkiem o masie 6 kg. Współczynnik tarcia kinetycznego między klockiem a stołem wynosi 0,2. Przyjmij g = 9,81 m/s². Wyznacz siłę naciągu T nici.
m1 = 4,5 kgm2 = 6 kgμ = 0,2g = 9,81 m/s²
T = N
5.Rzut ukośnyŚredni
Piłka zostaje wyrzucona pod kątem 55° do poziomu z płaskiego terenu. Pomiń opór powietrza. Wyznacz największą wysokość H, jaką osiąga piłka.
v0 = 34 m/sθ = 55°g = 9,81 m/s²
H = m
6.Rzut ukośnyTrudny
Piłka zostaje wyrzucona pod kątem 35° do poziomu ze szczytu klifu o wysokości 30 m. Pomiń opór powietrza. Wyznacz czas lotu t, zanim piłka uderzy w ziemię.
v0 = 13 m/sθ = 35°h = 30 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Ruch po okręguŚredni
W rotorze w wesołym miasteczku uczestnicy stoją przy ścianie pionowego walca o promieniu 3,3 m. Gdy obraca się on wystarczająco szybko, podłoga opada, a tarcie utrzymuje ich w górze. Współczynnik tarcia statycznego wynosi 0,3. Przyjmij g = 9,81 m/s². Wyznacz najmniejszą prędkość kątową ω w rad/s.
r = 3,3 mμs = 0,3g = 9,81 m/s²
ω = rad/s
8.Ruch po okręguTrudny
Kulka na nici o długości 0,5 m porusza się po okręgu w płaszczyźnie pionowej. Przyjmij g = 9,81 m/s². Jaka jest najmniejsza prędkość vmin w najwyższym punkcie, przy której nić jest jeszcze napięta?
r = 0,5 mg = 9,81 m/s²
vmin = m/s
9.Praca i energiaŚredni
Klocek o masie 0,5 kg zsuwa się na odcinku 5 m po zboczu nachylonym pod kątem 25° do poziomu, przy współczynniku tarcia kinetycznego 0,2. Wyznacz pracę Wf wykonaną przeciw tarciu.
m = 0,5 kgθ = 25°μ = 0,2d = 5 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Praca i energiaTrudny
Klocek o masie 4 kg puszczono bez prędkości początkowej z wysokości 2 m na gładkiej rampie. Na dole przejeżdża przez szorstki poziomy pas o długości 3,5 m (μ = 0,15), a potem trafia na sprężynę (k = 500 N/m) na gładkiej powierzchni. Wyznacz maksymalne ugięcie x sprężyny.
m = 4 kgh = 2 mL = 3,5 mμ = 0,15k = 500 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
11.Pęd i zderzeniaŚredni
Wózek o masie 2,5 kg jadący z prędkością 11 m/s zderza się czołowo i doskonale sprężyście ze spoczywającym wózkiem o masie 4,5 kg na torze bez tarcia. Wyznacz prędkość v′1 pierwszego wózka po zderzeniu (dodatnią w jego pierwotnym kierunku).
m1 = 2,5 kgm2 = 4,5 kgv1 = 11 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Pęd i zderzeniaTrudny
Na skrzyżowaniu samochód o masie 1300 kg jadący na wschód z prędkością 25 m/s zderza się z samochodem o masie 1200 kg jadącym na północ z prędkością 11 m/s. Samochody się sczepiają. Wyznacz prędkość v′ wraku tuż po zderzeniu.
m1 = 1300 kgv1 = 25 m/s (E)m2 = 1200 kgv2 = 11 m/s (N)
v′ = m/s
13.Sprężyny i wahadłaŚredni
Ciężarek o masie 3,3 kg na sprężynie o k = 230 N/m drga na powierzchni bez tarcia z amplitudą 10 cm. Wyznacz jego prędkość v, gdy znajduje się 7 cm od położenia równowagi.
m = 3,3 kgk = 230 N/mA = 10 cmx = 7 cm
v = m/s
14.Sprężyny i wahadłaTrudny
Masę 0,9 kg na sprężynie o k = 160 N/m odciągnięto o 20 cm od położenia równowagi i puszczono. Wyznacz jej maksymalne przyspieszenie amax.
m = 0,9 kgk = 160 N/mA = 20 cm
amax = m/s²
15.Fale, dźwięk i optykaŚredni
Przedmiot stoi 15 cm przed cienką soczewką (typ: rozpraszająca) o ogniskowej 8 cm. Znajdź odległość obrazu di. Użyj konwencji znaków 1/f = 1/do + 1/di (f < 0 dla soczewki rozpraszającej, di < 0 dla obrazu pozornego).
do = 15 cmf = −8 cm
di = cm
16.Fale, dźwięk i optykaTrudny
Światło o długości fali 650 nm przechodzi przez pojedynczą szczelinę o szerokości 0,1 mm. Znajdź kąt θ2 ciemnego prążka numer 2 względem kierunku prostego.
λ = 650 nma = 0,1 mmm = 2
θ2 = °
3Roztwory
1.Kinematyka
Odpowiedź: s = 69,44 m
Ruch ze stałym przyspieszeniem: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² i v² = v₀² + 2·a·s. Wybierz równanie, które zawiera trzy znane wielkości i tę szukaną, i trzymaj się znaków zgodnych z jednym kierunkiem dodatnim.
Jednostki
v₀ = 120/3,6 = 33,33 m/s
Droga hamowania
0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 33,33²/(2·8) = 69,44 m
Odpowiedź
s = 69,44 m
2.Kinematyka
Odpowiedź: t = 4,62 s
Ruch ze stałym przyspieszeniem: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² i v² = v₀² + 2·a·s. Wybierz równanie, które zawiera trzy znane wielkości i tę szukaną, i trzymaj się znaków zgodnych z jednym kierunkiem dodatnim.
Równanie ruchu
Kierunek w górę jest dodatni, a ziemia leży h₀ poniżej punktu startu.
−40 = 14·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 14·t − 40 = 0
Rozwiąż równanie kwadratowe
Sens fizyczny ma tylko dodatni pierwiastek.
t = (14 + √(14² + 2·9,81·40))/9,81 = 4,62 s
Odpowiedź
t = 4,62 s
3.Zasady dynamiki Newtona
Odpowiedź: a = 1,512 m/s²
Druga zasada dynamiki Newtona: siła wypadkowa działająca na ciało jest równa iloczynowi jego masy i przyspieszenia, ΣF = m·a. Narysuj schemat sił, wybierz kierunek dodatni wzdłuż ruchu i dodaj wszystkie siły w tym kierunku: siły przyłożone, tarcie μ·N przeciwne do ruchu i składowe siły ciężkości.
Druga zasada dynamiki Newtona: siła wypadkowa działająca na ciało jest równa iloczynowi jego masy i przyspieszenia, ΣF = m·a. Narysuj schemat sił, wybierz kierunek dodatni wzdłuż ruchu i dodaj wszystkie siły w tym kierunku: siły przyłożone, tarcie μ·N przeciwne do ruchu i składowe siły ciężkości.
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (7,456 + √(55,6 + 588,6))/9,81 = 3,347 s
Odpowiedź
t = 3,347 s
7.Ruch po okręgu
Odpowiedź: ω = 3,148 rad/s
Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.
Siły działające na uczestnika
N = m·ω²·r
μ·N = m·g → μ·ω²·r = g
Prędkość kątowa
ω = √(g/(μ·r)) = √(9,81/(0,3·3,3)) = 3,148 rad/s
Odpowiedź
ω = 3,148 rad/s
8.Ruch po okręgu
Odpowiedź: vmin = 2,215 m/s
Ruch jednostajny po okręgu: ciało poruszające się z prędkością v po okręgu o promieniu r ma przyspieszenie skierowane do środka a = v²/r, więc potrzebuje wypadkowej siły skierowanej do środka F = m·v²/r. Tę siłę zapewnia coś rzeczywistego: tarcie, naciąg nici, grawitacja albo siła reakcji.
Zerowy naciąg w najwyższym punkcie
m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9,81·0,5) = 2,215 m/s
Odpowiedź
vmin = 2,215 m/s
9.Praca i energia
Odpowiedź: Wf = 4,445 J
Zasada pracy i energii: zmiana energii kinetycznej równa się pracy wszystkich sił. Zapisanie grawitacji i sprężyn jako energii potencjalnej (mgh i ½kx²) daje bilans: energia początkowa = energia końcowa + energia stracona na tarcie (μN·d).
Siła tarcia
N = mg·cos θ = 4,905·0,9063 = 4,445 N
F = μN = 0,2·4,445 = 0,8891 N
Praca przeciw tarciu
Wf = F·d = 0,8891·5 = 4,445 J
Odpowiedź
Wf = 4,445 J
10.Praca i energia
Odpowiedź: x = 48,12 cm
Zasada pracy i energii: zmiana energii kinetycznej równa się pracy wszystkich sił. Zapisanie grawitacji i sprężyn jako energii potencjalnej (mgh i ½kx²) daje bilans: energia początkowa = energia końcowa + energia stracona na tarcie (μN·d).
Energia po szorstkim pasie
Rampa jest gładka, więc energię zabiera tylko pas.
mgh − μmgL = 39,24·(2 − 0,15·3,5) = 57,88 J
Maksymalne ugięcie
½kx² = 57,88 → x = √(2·57,88/500) = 0,4812 m = 48,12 cm
Odpowiedź
x = 48,12 cm
11.Pęd i zderzenia
Odpowiedź: v′1 = −3,143 m/s
Zasada zachowania pędu: gdy podczas zderzenia nie działa żadna siła zewnętrzna, całkowity pęd Σm·v przed zderzeniem równa się całkowitemu pędowi po nim. Prędkości mają kierunek, więc wybierz kierunek dodatni i prędkościom o przeciwnym zwrocie nadaj znak minus. W zderzeniu sprężystym zachowana jest też energia kinetyczna; w doskonale niesprężystym ciała łączą się ze sobą.
Zderzenie sprężyste ze spoczywającym ciałem
Rozwiązanie razem zasad zachowania pędu i energii daje te dwa wyniki.
v′1 = (2,5 − 4,5)/(2,5 + 4,5)·11 = −3,143 m/s
v′2 = 2·2,5/(2,5 + 4,5)·11 = 7,857 m/s
Odpowiedź
v′1 = −3,143 m/s
Znak minus oznacza, że pierwszy wózek odbija się do tyłu.
12.Pęd i zderzenia
Odpowiedź: v′ = 14,03 m/s
Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.
Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².
Pulsacja
ω = √(230/3,3) = 8,348 rad/s
Prędkość w x
v = ω·√(A² − x²) = 8,348·√(0,1² − 0,07²) = 0,5962 m/s
Odpowiedź
v = 0,5962 m/s
14.Sprężyny i wahadła
Odpowiedź: amax = 35,56 m/s²
Ruch harmoniczny prosty: masa m na sprężynie o współczynniku sprężystości k drga z częstością kołową ω = √(k/m) i okresem T = 2π/ω = 2π·√(m/k). Wahadło matematyczne o długości L ma T = 2π·√(L/g). Przy amplitudzie A największa prędkość wynosi A·ω, największe przyspieszenie A·ω², a energia ½·k·A².
Pulsacja
ω = √(160/0,9) = 13,33 rad/s
Maksymalne przyspieszenie
amax = A·ω² = 0,2·13,33² = 35,56 m/s²
Odpowiedź
amax = 35,56 m/s²
15.Fale, dźwięk i optyka
Odpowiedź: di = −5,217 cm
Optyka geometryczna: na granicy ośrodków n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (prawo Snelliusa), kąty mierzy się od normalnej, a n = c/v. Przy wejściu do wolniejszego ośrodka promień załamuje się ku normalnej. Przy przejściu z ośrodka gęstszego (n₁ > n₂), powyżej kąta granicznego θc = arcsin(n₂/n₁), całe światło zostaje odbite: całkowite wewnętrzne odbicie. Cienkie soczewki i zwierciadła sferyczne spełniają 1/f = 1/do + 1/di z powiększeniem m = −di/do. Konwencja znaków: f > 0 dla soczewki skupiającej i zwierciadła wklęsłego (f = R/2), f < 0 dla soczewki rozpraszającej i zwierciadła wypukłego; di > 0 dla obrazu rzeczywistego, di < 0 dla pozornego, a m < 0 dla obrazu odwróconego.
Równanie cienkiej soczewki
1/di = 1/f − 1/do = 1/(−8) − 1/15
di = −5,217 cm
Diagram promieni
pozorny, po tej samej stronie co przedmiot
Odpowiedź
di = −5,217 cm
16.Fale, dźwięk i optyka
Odpowiedź: θ2 = 0,7449 °
Interferencja i dyfrakcja: światło z dwóch szczelin odległych o d dociera do punktu na ekranie z różnicą dróg d·sin θ. Jasne prążki pojawiają się tam, gdzie d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …). Dla ekranu w odległości L ≫ d m-ty jasny prążek leży w y = mλL/d, a odstęp między prążkami wynosi Δy = λL/d. Siatka z N liniami na milimetr ma d = 1/N i ostre maksima dla d·sin θ = mλ; ponieważ sin θ ≤ 1, najwyższy rząd to największa liczba całkowita m ≤ d/λ. Pojedyncza szczelina o szerokości a ma ciemne prążki dla a·sin θ = mλ, m = ±1, ±2, …